Hypersonic elastic excitations in soft mesoscopic structures

Abstract

This dissertation is devoted to the experimental exploration of the propagation of elastic waves in soft mesoscopic structures with submicrometer dimensions. A strong motivation of this work is the large technological relevance and the fundamental importance of the subject. Elastic waves are accompanied by time-dependent fluctuations of local stress and strain fields in the medium. As such, the propagation phase velocities are intimately related to the elastic moduli. Knowledge of the elastic wave propagation directly provides information about the mechanical properties of the probed mesoscopic structures, which are not readily accessible experimentally. On the other hand, elastic waves, when propagating in an inhomogeneous medium with spatial inhomogeneities comparable to their wavelength, exhibit rather rich behavior, including the appearance of novel physical phenomena, such as phononic bandgap formation. So far, the experimental work has been restricted to macroscopic structures, which limit wave propagation below the KHz range. It was anticipated that an experimental approach capable of probing the interplay of the wave propagation with the controlled mesoscopic structures would contribute to deeper insights into the fundamental problem of elastic wave propagation in inhomogeneous systems. The mesoscopic nature of the structures to be studied precludes the use of traditional methods, such as sound transmission, for the study of elastic wave propagation. In this work, an optical method utilizing the inelastic scattering of photons by GHz frequency thermally excited elastic waves, known as Brillouin light scattering spectroscopy (BLS), was employed. Two important classes of soft structures were investigated: thin films and colloidal crystals. For the former, the main interest was the effect of the one-dimensional (1D) confinement on the wave propagation due to the presence of the free-surface or interface of the layer and the utilization of these waves to extract relevant material parameters. For the second system, the primary interest was the interaction of the elastic wave and the strong scattering medium with local resonance units in a three-dimensional (3D) periodic arrangement.

Diese Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung der Ausbreitung elastischer Wellen in weichen mesoskopischen Strukturen im Submikrometerbereich. Die enorme technologische Relevanz waren ebenso Motivation dieser Arbeit wie das fundamentale Interesse am bearbeiteten Gebiet. Elastische Wellen werden von zeitabhängigen Fluktuationen der lokalen Zug- und Scherfelder im Medium begleitet. Somit bestehen direkte Relationen zwischen den Ausbreitungsphasengeschwindigkeiten und den Elastizitätsmoduli. Die Kenntnis der Form der Anregung der elastischen Wellen vermittelt somit direkt Information über die mechanischen Eigenschaften der untersuchten mesoskopischen Strukturen, die auf anderen Wegen nicht leicht experimentell zugängig sind. Des Weiteren zeigen elastische Wellen, wenn sie in einem inhomogenen Medium mit räumlichen Inhomegenitäten in der Größenordnung ihrer Wellenlänge angeregt werden, zusätzlich ein interessantes Verhalten, einschließlich des Erscheinens neuer physikalischer Phänomene wie z.B. die Bildung phononischer Bandlücken. In der bisherigen Forschung lag das Augenmerk fast ausschließlich auf der Untersuchung makroskopischer Strukturen, was die Frequenzen der angeregten Wellen auf den KHz-Bereich oder darunter beschränkt. Der verfolgte Ansatz ermöglichte die Erforschung des Wechselspiels zwischen Wellenanregung und definierten mesoskopischen Strukturen, wodurch ein tieferer Einblick in die fundamentalen Probleme der Anregung elastischer Wellen in inhomogenen Systemen gewonnen werden konnte. Die mesoskopische Natur der zu untersuchenden Strukturen verbat die Anwendung „traditioneller“ Methoden zum Studium der Anregung elastischer Wellen, wie z.B. Schalltransmission. Im Rahmen dieser Dissertation wurde daher eine optische Methode, welche die inelastische Streuung von Photonen an GHz-frequenten thermisch angeregten elastischen Wellen ausnutzt, bekannt als Brillouin Lichtstreuung (BLS), angewandt. Dabei wurden zwei wichtige Klassen weicher Strukturen – dünne Filme und kolloidale Kristalle – untersucht. Bei ersteren lag das Hauptinteresse auf dem Effekt der eindimensionalen (1D) Einschränkung der Wellenausdehnung aufgrund des Vorhandenseins der freien Oberfläche respektive des Interfaces zwischen den Lagen und der Verwendung dieser Wellen, um relevante Materialparameter zu berechnen. Beim zweiten System war das primäre Ziel die Untersuchung der Interaktion der elastischen Welle und des stark streuenden Mediums mit lokalen Resonanzeinheiten in einer dreidimensionalen (3D) periodischen Anordnung.